技术领域

本发明涉及整流(AC-DC)电路，应用于交流输入、直流输出的电能变换场合，如：微能量收集系统、新能源发电系统、蓄电池充电系统等，尤其是一种单相桥式全控整流电路。

背景技术

整流(AC-DC)电路是一种能将交流电能转换成直流电能的电路，应用十分广泛。按交流输入相数分类，整流电路可分为单相电路和多相电路；按电路结构分类，整流电路可分为桥式电路和零式电路；按组成的器件分类，整流电路可分为不可控电路、半控电路和全控电路。

适用于中小功率应用场合的全控型器件主要有MOSFET和BJT。早期，Si材料的BJT具有较大的驱动损耗、较高的开关损耗、较大的器件动态阻抗等缺点。因此，为了获得低功耗，中小功率的单相桥式全控整流电路大多采用MOSFET。但是，MOSFET是电压型驱动器件，与电流型驱动器件BJT相比，MOSFET的驱动电路要比BJT的驱动电路更复杂。尤其在超低压或高压的工作环境中，MOSFET驱动电路的设计难度相当大。

发明内容

为克服现有MOSFET型单相桥式全控整流电路中MOSFET驱动电路复杂、驱动效率较低的不足，本发明提供一种简化驱动电路结构、驱动效率较高的BJT型单相桥式全控整流电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种BJT型单相桥式全控整流电路，包括输入电容Ci、PNP型BJT管Q1、PNP型BJT管Q2、NPN型BJT管Q3、NPN型BJT管Q4、NPN型BJT管Q5、NPN型BJT管Q6、输出电容Co、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和用于通过端口a控制NPN型BJT管Q5的基极电流从而实现对PNP型BJT管Q1工作状态的控制以及通过端口b控制NPN型BJT管Q6的基极电流从而实现对PNP型BJT管Q2工作状态的控制的受控电流源组M1，输入电容Ci的一端同时与单相交流电源vac的正端、PNP型BJT管Q1的发射极、NPN型BJT管Q3的发射极、电阻R5的一端以及电阻R4的一端相连，PNP型BJT管Q1的集电极同时与PNP型BJT管Q2的集电极、输出电容Co的一端、输出电压vo的正端以及负载Z1的一端相连，PNP型BJT管Q1的基极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与NPN型BJT管Q5的集电极相连，NPN型BJT管Q5的基极同时与电阻R5的另一端以及受控电流源组M1的端口a相连，NPN型BJT管Q5的发射极同时与NPN型BJT管Q6的发射极、NPN型BJT管Q3的集电极、NPN型BJT管Q4的集电极、输出电容Co的另一端、输出电压vo的负端以及负载Z1的另一端相连，PNP型BJT管Q2的基极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与NPN型BJT管Q6的集电极相连，NPN型BJT管Q6的基极同时与受控电流源组M1的端口b以及电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端同时与PNP型BJT管Q2的发射极、NPN型BJT管Q4的发射极、电阻R3的一端、输入电容Ci的另一端以及单相交流电源vac的负端相连，NPN型BJT管Q4的基极与电阻R4的另一端相连，NPN型BJT管Q3的基极与电阻R3的另一端相连。

进一步，电阻R1两端并联加速电容C1，电阻R2两端并联加速电容C2，电阻R3两端并联加速电容C3，电阻R4两端并联加速电容C4，电阻R5两端并联加速电容C5，电阻R6两端并联加速电容C6。该优选方案能加速所述BJT型单相桥式全控整流电路的动态特性。

再进一步，所述受控电流源组M1包括二极管Da1、二极管Da2、NPN型BJT管Qa1、NPN型BJT管Qa2、电阻Ra1、电阻Ra2、电阻Ra3和电容Ca1，NPN型BJT管Qa1的集电极为受控电流源组M1的端口a，NPN型BJT管Qa2的集电极为受控电流源组M1的端口b，NPN型BJT管Qa1的发射极同时与NPN型BJT管Qa2的发射极、电阻Ra3的一端、电容Ca1的一端以及输出电压vo的负端相连，NPN型BJT管Qa1的基极同时与NPN型BJT管Qa2的基极、电阻Ra2的一端以及电阻Ra3的另一端相连，电阻Ra2的另一端同时与电阻Ra1的一端以及电容Ca1的另一端相连，电阻Ra1的另一端同时与二极管Da1的阴极以及二极管Da2的阴极相连，二极管Da1的阳极与单相交流电源vac的正端相连，二极管Da2的阳极与单相交流电源vac的负端相连。所述BJT型单相桥式全控整流电路具有输入电压过压保护功能。

更进一步，所述受控电流源组M1包括NPN型BJT管Qb1、NPN型BJT管Qb2、二极管Db1、电阻Rb1、电阻Rb2和电容Cb1，负载Z1的一端与输出电压vo的正端相连，负载Z1的另一端同时与二极管Db1的阳极以及电阻Rb1的一端相连，NPN型BJT管Qb1的集电极为受控电流源M1的端口a，NPN型BJT管Qb2的集电极为受控电流源M1的端口b，NPN型BJT管Qb1的发射极同时与NPN型BJT管Qb2的发射极、输出电压vo的负端、电阻Rb2的一端、电容Cb1的一端以及电阻Rb1的另一端相连，NPN型BJT管Qb1的基极同时与NPN型BJT管Qb2的基极、电阻Rb2的另一端、电容Cb1的另一端以及二极管Db1的阴极相连。所述BJT型单相桥式全控整流电路具有输出电流限流保护功能。

本发明的技术构思为：随着新型半导体材料器件的发展，新材料(如SiC)的BJT已表现出了较小的驱动损耗、很低的电阻系数、较快的开关速度、较小的温度依赖性、良好的短路能力以及不存在二次击穿等诸多优点。在中小功率的单相桥式全控整流电路中采用新材料的BJT，不但可以获得低功耗，而且还可以简单化全控型器件的驱动电路。

单相桥式全控整流电路采用BJT，利用BJT工作性能的优点可同时实现电路简单和高效率。

本发明的有益效果主要表现在：BJT型单相桥式全控整流电路具有将交流电能转换成直流电能的能力，电路简单、驱动效率高、适合于多种控制方法。

附图说明

图1是本发明基本的电路结构示意图。

图2是本发明加速动态特性后的电路结构示意图。

图3是本发明实施例1的电路图。

图4是本发明实施例2的电路图。

图5是本发明实施例1在输出电容Co容值较小时的仿真工作波形图。

图6是本发明实施例2在输出电容Co容值较小时的仿真工作波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种BJT型单相桥式全控整流电路，包括输入电容Ci、PNP型BJT管Q1、PNP型BJT管Q2、NPN型BJT管Q3、NPN型BJT管Q4、NPN型BJT管Q5、NPN型BJT管Q6、输出电容Co、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和用于通过端口a控制NPN型BJT管Q5的基极电流从而实现对PNP型BJT管Q1工作状态的控制以及通过端口b控制NPN型BJT管Q6的基极电流从而实现对PNP型BJT管Q2工作状态的控制的受控电流源组M1，输入电容Ci的一端同时与单相交流电源vac的正端、PNP型BJT管Q1的发射极、NPN型BJT管Q3的发射极、电阻R5的一端以及电阻R4的一端相连，PNP型BJT管Q1的集电极同时与PNP型BJT管Q2的集电极、输出电容Co的一端、输出电压vo的正端以及负载Z1的一端相连，PNP型BJT管Q1的基极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与NPN型BJT管Q5的集电极相连，NPN型BJT管Q5的基极同时与电阻R5的另一端以及受控电流源组M1的端口a相连，NPN型BJT管Q5的发射极同时与NPN型BJT管Q6的发射极、NPN型BJT管Q3的集电极、NPN型BJT管Q4的集电极、输出电容Co的另一端、输出电压vo的负端以及负载Z1的另一端相连，PNP型BJT管Q2的基极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与NPN型BJT管Q6的集电极相连，NPN型BJT管Q6的基极同时与受控电流源组M1的端口b以及电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端同时与PNP型BJT管Q2的发射极、NPN型BJT管Q4的发射极、电阻R3的一端、输入电容Ci的另一端以及单相交流电源vac的负端相连，NPN型BJT管Q4的基极与电阻R4的另一端相连，NPN型BJT管Q3的基极与电阻R3的另一端相连。

进一步，电阻R1两端并联加速电容C1，电阻R2两端并联加速电容C2，电阻R3两端并联加速电容C3，电阻R4两端并联加速电容C4，电阻R5两端并联加速电容C5，电阻R6两端并联加速电容C6。该优选方案能加速所述BJT型单相桥式全控整流电路的动态特性。

实施例1：参照图1、图3和图5，本发明实施例1具有输入电压过压保护功能，它由输入电容Ci、PNP型BJT管Q1、PNP型BJT管Q2、NPN型BJT管Q3、NPN型BJT管Q4、NPN型BJT管Q5、NPN型BJT管Q6、输出电容Co、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、受控电流源组M1组成。其中，受控电流源组M1又由二极管Da1、二极管Da2、NPN型BJT管Qa1、NPN型BJT管Qa2、电阻Ra1、电阻Ra2、电阻Ra3、电容Ca1组成。

如图3所示，输入电容Ci的一端同时与单相交流电源vac的正端、PNP型BJT管Q1的发射极、NPN型BJT管Q3的发射极、电阻R5的一端以及电阻R4的一端相连，PNP型BJT管Q1的集电极同时与PNP型BJT管Q2的集电极、输出电容Co的一端、输出电压vo的正端以及负载Z1的一端相连，PNP型BJT管Q1的基极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与NPN型BJT管Q5的集电极相连，NPN型BJT管Q5的基极同时与电阻R5的另一端以及受控电流源组M1的端口a相连，NPN型BJT管Q5的发射极同时与NPN型BJT管Q6的发射极、NPN型BJT管Q3的集电极、NPN型BJT管Q4的集电极、输出电容Co的另一端、输出电压vo的负端以及负载Z1的另一端相连，PNP型BJT管Q2的基极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与NPN型BJT管Q6的集电极相连，NPN型BJT管Q6的基极同时与受控电流源组M1的端口b以及电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端同时与PNP型BJT管Q2的发射极、NPN型BJT管Q4的发射极、电阻R3的一端、输入电容Ci的另一端以及单相交流电源vac的负端相连，NPN型BJT管Q4的基极与电阻R4的另一端相连，NPN型BJT管Q3的基极与电阻R3的另一端相连；NPN型BJT管Qa1的集电极为受控电流源组M1的端口a，NPN型BJT管Qa2的集电极为受控电流源组M1的端口b，NPN型BJT管Qa1的发射极同时与NPN型BJT管Qa2的发射极、电阻Ra3的一端、电容Ca1的一端以及输出电压vo的负端相连，NPN型BJT管Qa1的基极同时与NPN型BJT管Qa2的基极、电阻Ra2的一端以及电阻Ra3的另一端相连，电阻Ra2的另一端同时与电阻Ra1的一端以及电容Ca1的另一端相连，电阻Ra1的另一端同时与二极管Da1的阴极以及二极管Da2的阴极相连，二极管Da1的阳极与单相交流电源vac的正端相连，二极管Da2的阳极与单相交流电源vac的负端相连。

图5是本发明实施例1在输出电容Co容值较小时的仿真工作波形图，其稳态工作原理如下：

当vac<0时，单相交流电源vac处于负半周(即ta1<t<ta4)；当vac>0时，单相交流电源vac处于正半周(即ta4<t<ta7)。Q4在单相交流电源vac正半周导通、负半周截止，Q3在单相交流电源vac正半周截止、负半周导通。

当vac的峰值电压<设定电压Vi1时(VBE_Qa为NPN型BJT管Qa1和Qa2的基极-发射极导通电压)，输入电压过压保护功能不生效。在此种情况下，NPN型BJT管Qa1和Qa2始终处于截止状态。因R5的作用，Q5在单相交流电源vac正半周导通。因R6的作用，Q6在单相交流电源vac负半周导通。Q1和Q4在单相交流电源vac正半周导通、负半周截止，Q2和Q3在单相交流电源vac正半周截止、负半周导通，输出电压vo≈|vac|。

当vac的峰值电压>设定电压Vi1时，输入电压过压保护功能生效。因电容Ca1的储能能力，在单相交流电源vac正半周的一部分时间段里(即ta4<t<ta5和ta6<t<ta7)，NPN型BJT管Qa1处于导通状态。在这部分时间里，因Qa1的作用，Q5截止，Q1截止，输出电压vo≈0。在单相交流电源vac正半周的另一部分时间段里(即ta5<t<ta6)，电容Ca1因放电引起其两端电压跌落，NPN型BJT管Qa1恢复截止状态。因R5的作用，Q5恢复导通状态，Q1也恢复导通状态，输出电压vo>0。同理，在单相交流电源vac负半周的一部分时间段里(即ta1<t<ta2和ta3<t<ta4)，NPN型BJT管Qa2处于导通状态。在这部分时间里，因Qa2的作用，Q6截止，Q2截止，输出电压vo≈0。在交流电源vac负半周的另一部分时间段里(即ta2<t<ta3)，电容Ca1因放电引起其两端电压跌落，NPN型BJT管Qa2恢复截止状态。因R6的作用，Q6恢复导通状态，Q2也恢复导通状态，输出电压vo>0。

实施例2：参照图1、图4和图6，本发明实施例2具有输出电流限流保护功能，它由输入电容Ci、PNP型BJT管Q1、PNP型BJT管Q2、NPN型BJT管Q3、NPN型BJT管Q4、NPN型BJT管Q5、NPN型BJT管Q6、输出电容Co、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、受控电流源组M1组成。其中，受控电流源组M1又由NPN型BJT管Qb1、NPN型BJT管Qb2、二极管Db1、电阻Rb1、电阻Rb2、电容Cb1组成。

如图4所示，输入电容Ci的一端同时与单相交流电源vac的正端、PNP型BJT管Q1的发射极、NPN型BJT管Q3的发射极、电阻R5的一端以及电阻R4的一端相连，PNP型BJT管Q1的集电极同时与PNP型BJT管Q2的集电极、输出电容Co的一端、输出电压vo的正端以及负载Z1的一端相连，PNP型BJT管Q1的基极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与NPN型BJT管Q5的集电极相连，NPN型BJT管Q5的基极同时与电阻R5的另一端以及受控电流源组M1的端口a相连，NPN型BJT管Q5的发射极同时与NPN型BJT管Q6的发射极、NPN型BJT管Q3的集电极、NPN型BJT管Q4的集电极、输出电容Co的另一端、输出电压vo的负端以及负载Z1的另一端相连，PNP型BJT管Q2的基极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与NPN型BJT管Q6的集电极相连，NPN型BJT管Q6的基极同时与受控电流源组M1的端口b以及电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端同时与PNP型BJT管Q2的发射极、NPN型BJT管Q4的发射极、电阻R3的一端、输入电容Ci的另一端以及单相交流电源vac的负端相连，NPN型BJT管Q4的基极与电阻R4的另一端相连，NPN型BJT管Q3的基极与电阻R3的另一端相连；负载Z1的一端与输出电压vo的正端相连，负载Z1的另一端同时与二极管Db1的阳极以及电阻Rb1的一端相连，NPN型BJT管Qb1的集电极为受控电流源M1的端口a，NPN型BJT管Qb2的集电极为受控电流源M1的端口b，NPN型BJT管Qb1的发射极同时与NPN型BJT管Qb2的发射极、输出电压vo的负端、电阻Rb2的一端、电容Cb1的一端以及电阻Rb1的另一端相连，NPN型BJT管Qb1的基极同时与NPN型BJT管Qb2的基极、电阻Rb2的另一端、电容Cb1的另一端以及二极管Db1的阴极相连。

图6是本发明实施例2在输出电容Co容值较小时的仿真工作波形图，其稳态工作原理如下：

当vac<0时，单相交流电源vac处于负半周(即tb1<t<tb4)；当vac>0时，单相交流电源vac处于正半周(即tb4<t<tb7)。Q4在交流电源vac正半周导通、负半周截止，Q3在交流电源vac正半周截止、负半周导通。

当输出电流io<设定电流Io1时(VBE_Qb为NPN型BJT管Qb1和Qb2的基极-发射极导通电压，VDF_Db1为二极管Db1的正向导通压降)，输出电流限流保护功能不生效。在单相交流电源vac正半周的一部分时间段里(即tb4<t<tb5和tb6<t<tb7)，NPN型BJT管Qb1处于截止状态。因R5的作用，Q5导通，Q1导通，输出电流io≈vac/Z1。同理，在单相交流电源vac负半周的一部分时间段里(即tb1<t<tb2和tb3<t<tb4)，NPN型BJT管Qb2处于截止状态。因R6的作用，Q6导通，Q2导通，输出电流io≈|vac|/Z1。

当输出电流io上升并超越设定电流Io1时，输出电流限流保护功能生效。在单相交流电源vac正半周的另一部分时间段里(即tb5<tb6)，NPN型BJT管Qb1处于导通状态。因Qb1的作用，Q5虽导通但处于线性放大状态。Q5的线性放大状态导致Q1也处于线性放大状态，输出电流io被嵌位，即io≈Io1。同理，在单相交流电源vac负半周的另一部分时间段里(即tb2<tb3)，NPN型BJT管Qb2处于导通状态。因Qb2的作用，Q6虽导通但处于线性放大状态。Q6的线性放大状态导致Q2也处于线性放大状态，输出电流io被嵌位，即io≈Io1。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。